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        基于GNSS的預(yù)制箱梁橋吊裝施工新技術(shù)

        2022-10-20 01:49:28朱興龍
        建材世界 2022年5期
        關(guān)鍵詞:架梁架設(shè)箱梁

        朱興龍,彭 冀

        (1.深圳市市政工程總公司,深圳 518000;2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070)

        近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展與人口總量的持續(xù)增長(zhǎng),我國(guó)的交通運(yùn)輸壓力急劇增大。為解決交通擁堵問(wèn)題,各級(jí)政府規(guī)劃、新建了大量市政道路與公路[1],這些相關(guān)公路的建設(shè)也催生了大量新建橋梁的需求。預(yù)制箱梁橋作為中小跨徑橋梁建設(shè)應(yīng)用最為廣泛的橋型之一,其現(xiàn)有的施工工藝仍存在著一定的不足,該文對(duì)其吊裝施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與問(wèn)題進(jìn)行分析,從施工控制管理與施工監(jiān)測(cè)方面提出基于GNSS的施工監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案。

        1 預(yù)制箱梁吊裝施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

        早在20世紀(jì)50年代,我國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始研究預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù),并于1956年在隴海線新沂河上建成了國(guó)內(nèi)第一座預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋,此后,預(yù)制混凝土梁在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。在橋梁的工程建設(shè)中,施工技術(shù)水平的高低常常起著至關(guān)重大的作用,采用合理的施工技術(shù)不僅能提高施工效率,降低工程費(fèi)用,更是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要保障。因此,許多學(xué)者與工程技術(shù)人員在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,對(duì)預(yù)制箱梁的吊裝施工不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,主要體現(xiàn)在各類(lèi)大型機(jī)械化運(yùn)、架梁設(shè)備的研究應(yīng)用上。

        現(xiàn)如今,按照架梁施工的工藝類(lèi)別進(jìn)行劃分,有針對(duì)地上架設(shè)、水上架設(shè)以及高空架設(shè)的各類(lèi)技術(shù)方法,比較常見(jiàn)的如架橋機(jī)安裝法、自行式吊車(chē)安裝法、跨墩龍門(mén)吊安裝法和浮運(yùn)架設(shè)法等。在海面上或深水上修建橋梁時(shí),通常使用可回轉(zhuǎn)的伸臂式浮吊,配備有大型浮吊船的情況下,其吊裝能力強(qiáng)大、功效高。當(dāng)橋高有限、架梁孔數(shù)多且在線路兩側(cè)鋪設(shè)吊車(chē)行走軌道較為方便時(shí),可選用跨墩門(mén)式吊車(chē)法進(jìn)行架梁。架橋機(jī)是針對(duì)箱梁吊裝施工專(zhuān)門(mén)研發(fā)出來(lái)的起重設(shè)備,采用了微調(diào)控制結(jié)構(gòu),其吊裝動(dòng)作平穩(wěn)精準(zhǔn),能實(shí)現(xiàn)一次落梁到位,并且具有可自行跨孔、不受橋下水深與通行限制等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用,其缺點(diǎn)是往往需要進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝施工,對(duì)設(shè)備及技術(shù)工種的需求相對(duì)較高。當(dāng)單片梁架設(shè)重量較小且施工場(chǎng)地相對(duì)平坦堅(jiān)實(shí)時(shí),自行式吊車(chē)架梁法是一種很好的補(bǔ)充方法。自行式吊車(chē)本身具有動(dòng)力,運(yùn)轉(zhuǎn)靈活,既能在橋下架梁,也能行駛至已架設(shè)的橋段上進(jìn)行高空吊裝作業(yè),不僅對(duì)架設(shè)設(shè)備、技術(shù)工種的需求較低,而且架設(shè)速度快、保護(hù)交通效果良好,可起到縮短工期的效果。除上述幾類(lèi)常見(jiàn)的吊裝施工技術(shù)外,還有多種靈活的方式可以選擇。日新月異的機(jī)械化施工技術(shù)也為橋梁工程的發(fā)展提供了更為廣闊的空間。

        2 現(xiàn)存問(wèn)題分析與對(duì)策

        不論采用何種起重機(jī)具進(jìn)行架梁,整個(gè)架梁作業(yè)通常嚴(yán)格按照試吊→起吊→提梁→移梁就位→落梁的工序進(jìn)行,其總體目標(biāo)是將主梁平穩(wěn)、安全、精準(zhǔn)地安放到目標(biāo)梁位,如圖1所示。

        在傳統(tǒng)的施工工藝?yán)?,為保證最終落梁位置的準(zhǔn)確性,需事先在已驗(yàn)收合格的蓋梁上對(duì)箱梁的安裝邊線、中軸延長(zhǎng)線以及梁端線進(jìn)行放樣并標(biāo)畫(huà)出來(lái),同時(shí)在梁端上也標(biāo)畫(huà)出梁體中軸線,待箱梁移運(yùn)至目標(biāo)梁位上方后保持懸停,由指揮人員反復(fù)校核梁體與標(biāo)線的重合情況來(lái)調(diào)整落梁。該方法存在如下弊端:

        1)箱梁的吊運(yùn)安裝主要依靠人工監(jiān)控指揮,受指揮者所處位置、視角、距離以及現(xiàn)場(chǎng)照明條件的影響,指揮移梁與落梁就位時(shí)將不可避免產(chǎn)生一定的偏差。

        2)指揮人員與操作人員通過(guò)語(yǔ)言溝通合作進(jìn)行架梁作業(yè),過(guò)程中往往需要進(jìn)行多次、反復(fù)調(diào)整以保證箱梁準(zhǔn)確地安裝到目標(biāo)位置,施工效率十分低下。

        3)在進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí),目標(biāo)孔跨兩端各需要1個(gè)以上的指揮人員,人力成本較高。

        4)指揮人員往往需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高空作業(yè),并且作業(yè)區(qū)域離安裝點(diǎn)位較近,具有很大的安全隱患。

        根據(jù)住建部發(fā)布的《2019年房屋市政工程生產(chǎn)安全事故情況通報(bào)》[3]:2019年,房屋市政工程生產(chǎn)安全事故按照事故類(lèi)型劃分,高處墜落事故占比最高,共發(fā)生415起,占事故總數(shù)的53.69%;因起重機(jī)械傷害造成事故42起,占總數(shù)的5.43%。通報(bào)對(duì)生產(chǎn)安全較大及以上事故也按類(lèi)型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),其中因起重機(jī)械傷害造成的事故有7起,占比高達(dá)30.43%。以上數(shù)據(jù)也表明,預(yù)制構(gòu)件吊裝是一項(xiàng)危險(xiǎn)性較高的施工作業(yè),吊裝指揮人員不僅面臨著較大的高空墜落風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)發(fā)生起重傷害事故時(shí)后果也比較嚴(yán)重,容易造成較大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

        實(shí)際上,裝配式橋梁因采用了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)與工廠化的生產(chǎn)工藝,不僅構(gòu)件類(lèi)型齊全,生產(chǎn)質(zhì)量有保證,而且同一類(lèi)型的構(gòu)件外形尺寸固定,內(nèi)部構(gòu)造相似,更適合采用信息化的施工方案。近年來(lái),有不少學(xué)者開(kāi)始研究將GNSS定位技術(shù)應(yīng)用于指導(dǎo)吊裝施工,該文在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新,提出建立一套基于GNSS定位技術(shù)的施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)指導(dǎo)實(shí)際吊裝施工,以提高施工效率、安全性與準(zhǔn)確性。

        3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo),以功能需求為基礎(chǔ),結(jié)合預(yù)制箱梁橋施工工藝的特點(diǎn),采用動(dòng)態(tài)、直觀、高效的設(shè)計(jì)原則,形成了基于軟硬件集成的多層邏輯架構(gòu),如圖2所示。

        基于總體構(gòu)架,結(jié)合箱梁橋施工階段的整體過(guò)程,以及需要的硬件和軟件進(jìn)行系統(tǒng)的方案分析設(shè)計(jì),從而完成基于GNSS定位技術(shù)的預(yù)制箱梁的吊裝施工過(guò)程的方案設(shè)計(jì)。

        3.1 預(yù)制箱梁橋施工階段分析

        系統(tǒng)主要依靠安裝在梁體上的GNSS定位設(shè)備來(lái)接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù),結(jié)合系統(tǒng)軟件的內(nèi)部算法計(jì)算出梁體的實(shí)時(shí)空間位置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制箱梁吊裝施工的監(jiān)控指揮。在確定定位硬件在梁體上的安裝方案后,箱梁吊裝就位時(shí)接收機(jī)的目標(biāo)坐標(biāo)可以在施工定位圖上換算求出,但考慮到箱梁在預(yù)制、存梁階段受一期恒載與鋼束預(yù)應(yīng)力的作用會(huì)產(chǎn)生形變[4],若僅以其設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)來(lái)計(jì)算接收機(jī)的目標(biāo)坐標(biāo),必然會(huì)存在著一定的誤差,從而影響到最終的安裝精度。因此,運(yùn)用有限元方法對(duì)預(yù)制混凝土箱形梁橋進(jìn)行施工階段分析,掌握其在各階段的受力變形特性具有重要意義,能夠?yàn)楹罄m(xù)形成系統(tǒng)的吊裝定位計(jì)算理論提供重要依據(jù)。施工階段分析主要內(nèi)容是不同標(biāo)準(zhǔn)跨徑的各類(lèi)梁片在任意存梁周期下的變形情況。

        3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        硬件是整個(gè)系統(tǒng)得以運(yùn)行的基礎(chǔ)與支撐,主要包含GNSS定位硬件,必要的數(shù)據(jù)通信設(shè)備以及具有交互接口的可顯示用戶終端。其中硬件的集成方案與GNSS定位設(shè)備在梁體上的安裝布置方案是研究的關(guān)鍵。為保證系統(tǒng)指揮吊裝施工的時(shí)效性與精度,采用了GNSS RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù),因此定位硬件中既包含了安裝于梁體上的流動(dòng)站接收機(jī),也包括安裝在施工現(xiàn)場(chǎng)的基準(zhǔn)站接收機(jī)來(lái)提供實(shí)時(shí)差分信號(hào)。系統(tǒng)配備了3臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī)并分置于梁體的固定安裝點(diǎn)位上,通過(guò)實(shí)時(shí)解算接收機(jī)天線構(gòu)成的非共線基線矢量來(lái)確定梁體的吊裝姿態(tài)[5]。最后將所有的硬件設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路聯(lián)系在一起集成為系統(tǒng)的硬件子系統(tǒng)。

        3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的預(yù)期效果是:施工人員在操作大型起重機(jī)械時(shí),能夠根據(jù)系統(tǒng)所反饋的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息調(diào)整自己的操作,以便讓預(yù)制構(gòu)件能夠平穩(wěn)、安全、精準(zhǔn)地移運(yùn)到目標(biāo)位置。因此,監(jiān)控信息如果太過(guò)于復(fù)雜和數(shù)據(jù)化,反而會(huì)影響施工人員原本的操作,系統(tǒng)的實(shí)用性就會(huì)大打折扣。故在硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)一款與之相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)仿真軟件,軟件內(nèi)部核心算法能夠?qū)λ@取到的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析,然后通過(guò)仿真界面以圖形化的形式直觀地向施工人員提供操作指引。同時(shí),軟件具有直觀、簡(jiǎn)潔、人性化的用戶圖形界面與操作模塊,用戶可以方便地定義必要的施工參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真操控,輕松獲取有效的施工信息。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        預(yù)制箱梁橋的廣泛應(yīng)用為我國(guó)公路建設(shè)與橋梁事業(yè)的發(fā)展提供了巨大推力與保障,其施工技術(shù)也在實(shí)踐中得到不斷創(chuàng)新。但現(xiàn)有的吊裝施工技術(shù)中仍存在著一定的不足,仍依賴(lài)于人工實(shí)時(shí)觀察與指揮,不僅效率低下,而且存在著較大的安全隱患。該文創(chuàng)新式地提出一套基于GNSS監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)指揮架梁施工的新技術(shù),通過(guò)對(duì)預(yù)制箱梁橋施工階段的整體過(guò)程的分析,建立包含GNSS定位硬件和關(guān)聯(lián)系統(tǒng)軟件的研究,對(duì)基于此方案的新型吊裝技術(shù)進(jìn)行了完整的闡述。此項(xiàng)新技術(shù)及其實(shí)施方案將極大地改進(jìn)現(xiàn)有箱梁橋的吊裝技術(shù),促進(jìn)更加安全精確的吊裝方案的發(fā)展。

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